同位素测年原理与方法资料

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1、 环境同位素地球化学 放射同位素 同位素测年技术 RbSr法年龄测定-古人类迁移 UTh-Pb法年龄测定 Sm-Nd法年龄测定 PbPb等时线法 普通Pb法-监测环境污染 一；同位素基本概念 1：同位素-具有相同质子数和不同中子数的同一类 元素的不同原子。 2：衰变-衰变是放射原子核所放出粒子的过程 ， 粒子实际上是氦的原子核(4He2)是带正电荷的 两个质子和两个中子单元。 3：-衰变- -衰变是核内放射出带负电荷的电子流 ，在一定的条件下多余的中子转变为质子过程中 产生电子。 4：铅同位素-在自然界中铅有四个同位素： 238U8+ 6-206Pb 235U7+4- 207Pb 232Th6

2、+4-208Pb 204Pb 5锶同位素-在自然界中铅有四个同位素： 88Sr 87Rb- 87Sr 86Sr 84Sr 二：化学处理 1：化学分离前必须将岩石样品转化为溶 液即溶样。 岩石、矿物样品能否彻底溶解，是 得到可信的析数据的先决条件。岩石中 有相当一部分微量元素，包括放射成因 母子体元素，分布在难溶副矿物中，保 证其全部溶解是十分重要的。此外，还 要求溶矿过程中引入尽可能少的试剂和 污染。 2、化学分析中常用的计量单位 计量单位应严格执行国家标准GB31003201- 1993量和单位的规定，使用法定计量单位，不 再使用N(当量浓度)、M(克分子浓度)、百分比浓度 %(V/V)、%

3、(m/m)等已废 除的非标准计量单位 和符号。 1 ) 重量单体表示法 用g(微克-6)、ng(纳克-9)、Pg(皮克-12)和fg(飞克 -15)来表示组分含量。1 g 10-6g, 2 ) 浓度单位表示法 用g/ml(ppm), ng/ml(ppb), pg/ml(ppt), mg/l, ng/l 用 g/g, ng/g, pg/g 来表示组分含量。 ppmppm表示一百万份重量的溶液中所含溶质的重表示一百万份重量的溶液中所含溶质的重 量量( (用溶质质量占全部溶液质量的百万分比来表用溶质质量占全部溶液质量的百万分比来表 示的浓度，也称百万分比浓度示的浓度，也称百万分比浓度) )。百万分之

4、几，。百万分之几， 就叫几个就叫几个ppmppm。 ppmppm=mg/kg=mg/L =mg/kg=mg/L ppmppm= =溶质的重量溶质的重量/ /溶液的重量溶液的重量* *1010 6 6 。 1 1ppmppm可表示为可表示为110110-6 -6克 克 1 1升极稀的水溶液其密度可作为升极稀的水溶液其密度可作为1 1，因此，因此1 1 升水的重量为升水的重量为1010 6 6 毫克。若毫克。若1 1升极稀水溶液中含升极稀水溶液中含1 1 毫克的某物质，则其浓度相当于毫克的某物质，则其浓度相当于1ppm1ppm。 1 1毫克毫克=1000=1000微克，因此该物质的浓度又为微克，因

5、此该物质的浓度又为 1000ppb1000ppb。 ppbppb表示十亿分重量的溶液中所含溶质的重量表示十亿分重量的溶液中所含溶质的重量 ，十亿分之几就叫几个，十亿分之几就叫几个ppb,ppb, ppb= ppb=溶质的重量溶质的重量/ /溶液的重量溶液的重量* *1010 9 9 。 P P pmpm ppb ppb的概念现在不用，用法定计量单位。的概念现在不用，用法定计量单位。 （molLmolL-1 -1 ） ）或质量或质量浓度浓度单位单位 （gLgL-1 -1）。 ）。 3：不同样品溶解 1 、一般岩石样品都用以HF为主的 混合酸（HF+HCI+HNO3），加少量的 HClO4溶解。

6、2、金属矿物用以HCl为主的混合酸 (HCl+HNO3），加少量的HF，再加少量 HClO4溶解。 4：U-Th-Pb高压釜溶样 锆石是一种非常难溶的矿物。一 般酸是溶该矿物的。为保证溶矿完全采 用特别设计的聚四氟乙烯“弹”，外加热 缩管套，然后整个放入不锈钢外套中. 并在“弹”内造成高压以利分解。这种装 置可以在较低温度(200)下溶样。 例如：锆石，榍石，独居石的分解。 5:离子交换 为了用同位素稀释法测定放射性母 体元素含量或测定放射成因子体同位素 的比值， 都要求先把纯元素分离出来， 同时制备成适于质谱测定的型式(一般为 C1-或NO-3)。 离子交换分离是放射性母子体元素 分离时最常

7、用的方法。这是一种利用离 子交换剂与溶液中离子之间发生交换反 应来进行分离的方法。 分离Rb、Sr和REE时用强酸性阳 离子交换树脂，活性基团如-S03H ，可交换离子为H+。 分离Pb和U，Th使用强碱性的阴 离子交换树脂，活性基团为碱性基 团，可交换离子为Cl-或NO3-。 图4.1离子交换示意图 溶矿 在溶矿中我们已不使用HCLO4 ,因为HCLO4空白较高以及在侵析样品时富集Al与Ca，当往干 燥的样品中加入混合溶剂在干燥的样品中CLO4-离子的存在引起了样品的“胶化”。特别是当残 渣增加的情况下往往会降低铅在溶液中的含量。我们重新提纯的16mol/L HNO2代替HCLO4， 溶解样

8、品用HF和HFO3混合液（每ml样品1：1的HNO2和HF混合液0.2ml）。 首先准确称量约0.50g样品，加入HF与HNO3，浸泡610个小时，盖上盖在600C加温2个小 时左右，取下盖子在800C情况下蒸干样品，因为某些氟化物类在稀酸中往往含沉淀，因此蒸 干的样品需要重溶在1 mol/L HNO3中然后蒸干。此步骤反复几次。（以上的步骤需要非常仔 细，防止溶江中的丢失影响同位素结果的测定）。蒸干的样品加入适量的超纯水，在高灵敏度 的天平上把药品分成两份。一份测定同位素组成，一份准确的加入铅与铀的稀释剂测定同位素 的含量。等分后的 样品蒸发完全干燥，然后加入2ml94%CH2OH6%16m

9、ol/L HNO2的混合 液（CH2OH与Pb形成之阴离子），用已处理好的聚四氟乙小棒仔细捣碎残渣以防止包裹元素 铅和铀。然后仔细的把烧杯中的溶液仔细的倒入石英离心管中，用少量的混合液洗一下烧杯把 其溶液合并到石英离心管中，离心分离准确过柱。 2、化学分离 1）阴离子交换 柱高为10cm，直径为0.5cm，底部用高纯的石英作为滤板。把浸泡在94%CH2OH16% mol/L HNO3，混合液的Dowexlx8阴离子交换树脂装到交换柱上，其树脂高度为5cm。装柱以 后首先用3ml混合液洗一下树脂床，流干。然后把离心管中的样品液小心的倒入到交换柱中流 干。用8ml70% CH2OH30%（3.3m

10、ol/L）HNO2混合液洗去干扰元素（此溶液要用已处理好的 10ml石英烧杯接以便分析U）。最后用8ml0.5 mol/L HNO2 洗下铅(用10ml石英烧杯接）。蒸 干样品，加入0.5ml 1.5NCl，蒸干样品。准确的加入0.25ml 1.5N HCl 。准备过阳柱。 2）阳离子交换 阳离子交换柱的尺寸大小与阴离子交换柱一样，浸泡在4mol/HCl中的 Dowex508 装到交换 柱上，树脂高度为2.5cm。用5ml4mol/L HCl洗柱，然后用3ml1.5mol/L HCl淋洗树脂，流干， 把阴离子交换柱下来的 溶液小心地倒入此交换柱中，流干，最后用2ml1.5mol/LHCl洗下P

11、b(用 5ml石英烧杯)，蒸干样品准备上质谱计。 3)铀的离子交换 铀是以氯形成络阴离子吸附在阴离子树脂上与其它元素分离的。只有一个主要的元素Fe与其 一起吸附在树脂上，加入抗坏血酸到HCl溶液中就是为了络合 这一元素以防止它被吸附在离子树脂上。 取由铅阴离子树脂柱淋洗下来的溶液。蒸发致干，加入2ml4NHCl，蒸干。然后加入5ml抗坏血酸江（ 1g+20ml4 mol/LHCl）,静止10分钟左右直到黄色的三价铁离子逐渐消去。准备上柱。 此交换柱的大小与分离铅的离子交换柱大小一样。以处理好的树脂在1 mol/L HCl中装到交换柱上，树脂（ Dowexlx8）高为6cm。首先用10ml mo

12、l/L HCl液洗柱 ，流干。再用10ml抗坏血酸液洗除干扰元素，再用 15ml 4 mol/L HCl 洗去抗坏血酸。最后用8ml 1 mol/L HCl 洗提铀，蒸干，准备上质谱。 以上的两个流程均在超净工作台中进行。 （二）、 黄铁矿化学流程 黄铁矿在玛瑙乳钵中被磨碎。 取约0.1克的样品。 加入适量的HCl，待硫被赶尽后。 加入适量的HNO3蒸干样品。 加入混合溶液（12ml1.5mol/L HBr+1ml2mol/LHCl）。 然后该溶液在柱高2ml Dowexlx8 AG树脂中进行交换。（交换住首先用20ml 9mol/L HCl 和 20ml H2O最后 用6ml 1mol/L

13、HBr 处理），样品溶液在柱上流干。 8ml 1mol/L HBr，洗去柱上的杂质。 8ml 2mol/L HCl 洗去柱上的杂质。 最后铅用6ml 9mol/LHCl 洗下。 蒸干准备上质谱。 （三）、方铅矿化学流程 取约0.1克的样品。 首先加入少量的浓HCl，赶尽硫后。 加入少量的浓HNO3蒸干样品。 加入适量的高纯水，准备上质谱计。 三、质谱测定 铅测定使用硅胶磷酸发射剂，单带源。 铀测定使用磷酸上样，三带源。 质谱计测定使英国VG公司的1 SOMASS54 质谱仪，离子束等效轨道半径为54 cm ，偏转900采用双向质量 聚焦。接吸附如小型静电分析器作为能量过滤。实现质能双聚焦。离子

14、传输率为1/500铀原子，质量数范围 1350，分析重现性0.05%仪器用HP9845B计算机自动控制。16个样品以内的换样发射聚焦，接收，磁场 峰跳测试及数据积累和打印实现程序自动操作。 三：质谱计 质谱计框图 计算机数据 处理系统 真空系统 加速区 进样系统 离子源 质量分析器 检测器 质谱计的构造示意图 1、进样系统 指把样品引入离子源的装置。分析 放射性母子体元素时，采用表面热电离 源。把样品涂在金属载样带上，金属载 样带则连在玻璃座上或金属架上。这些 玻璃座或金属架装在样品盘上，一次可 装13-16个样品。 每盘样品分析结束须打开离子源 ， 使之暴露大气， 更换样品盘后， 再次盖上密

15、封盖抽至真空。 离子源表面电离示意图 2、 离子源 1： 离子源的作用在于把涂在样品带 上的中性原子或分子电离成离子（借 助于样品带或电离带的灼热高温电离 ）。 2： 然后通过离子光学系统，离子被 拉出、聚焦和加速，形成具有一定能 量和几何形状的离子束，进入质量分 析器。 3质量分析器 单聚焦磁场质量分析器是根据离子 光学原理精心设计的磁铁和置于磁铁之 间的金属分析管道所组成的。所设计的 磁铁两极的形状和位置保证了磁力线垂 直于离子运动方向；且能使按荷质比分 离后的离子束在离开磁场后最后分别聚 焦到离子接收器所在的平面上。60度扇 形场单聚焦是近代单聚焦仪器的基本类 型，聚焦性能好，结构轻便灵活。 理论原理 1、在电场中，一个离子的势能（ev） 等于它完成加速后的动能（1/2mv2） e: 电子电荷； V：离子的加速电压 :离子的线速度； m ：离子的质量 2、在磁场中，离子受到两个相互平衡的力， 向心力和离心力 H：磁场强度；R：曲率半径（偏转半 径） 将、式中的消去，得到： 保持H磁场强度恒定变化， V电扫描 保持V恒定变化，H磁扫描（本室用 ） 由上式可知： 当磁场强度H及仪器电压V不变时，离子的偏 转半径R与荷质比m/e成正比，即荷质比越大，离 子的偏转半径越大。 如我室为磁扫描质谱计，当电压V固定在 800